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汽车防误踩油门系统设计说明书

来源: 发布时间:2019-06-11 浏览次数: 【字体:

汽车防误踩油门系统设计说明书

 

汽车正以不可阻挡之势迅速进入家庭,每年车辆增长率的比例不断增大。而驾驶车辆时,一旦发生误把油门当刹车踩的错误,后果特别严重。目前市面上还没有简单有效地的装置能够防止在紧急情况下错把油门当刹车踩的错误发生。

随着我国人民经济收入的不断提高,2019年1月11日,公安部交通管理局官方微博发布统计数据,2018年全国新注册登记机动车3172万辆,机动车保有量已达3.27亿辆,其中汽车2.4亿辆,小型载客汽车首次突破2亿辆;机动车驾驶人达4.09亿人,其中汽车驾驶人3.69亿人。当前,在发生的交通事故中,误把油门当刹车踩所引发的交通事故占百分之五左右,每年达20万次以上,且这类交通事故中大多会导致人员伤亡和财产损失。
?    2015年3月I日,深圳宝安机场高架桥上,一名女司机误将油门当刹车踩撞向人群造成9死22伤事件之后,人们更加关注如何防止误将油门当刹车踩事故发生。

汽车的刹车踏板和油门踏板距离较近,并且都由驾驶员的一只脚来控制,在遇到紧急情况时,为了达到快速停车的目的,驾驶员需要紧急地踩下刹车踏板,当驾驶员临危慌乱时,容易不小心误将油门踏板当成刹车踏板来踩,会使汽车加速前进而造成交通事故,因此,现有上产生出现了汽车防误踩油门系统。但现在市面上的汽车防误踩油门系统,结构较为复杂,成本较高,而且在防止误踩油门踏板的同时不能完成紧急刹车操作,无法满足实际使用的需求,因此市面上迫切需要能改进的技术,来完善此设备。

 

1系统功能及特点
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1.1系统特点

(1)安全第一。系统能主动分析是否误踩油门,能提前预警、报警、主动减速及紧急刹车等功能,能有效解决驾驶员在驾驶过程中误踩油门的问题,提高行车过程中的安全性能,有效避免严重事故的发生,保护驾驶人和其他的财产生命安全。紧急刹车后采用手动复位方式,可防止驾驶员在误操作事件发生后还没有平静的情况下仓促复位,造成二次事故。
?  (2)装置简单,成本较低。自动化程度较高,各组成部分模块化,在制造、安装、操作和维修较简单。可直接替换机动车刹车踏板,不用改装车辆,能有效地防止在紧急情况之时,驾驶员慌忙出脚误踩踏到油门而造成事故,适合在任何机动车上安装使用,最大限度的避免事故发生。
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1.2系统功能
? (1)本系统将脚后跟不着地悬空踩踏油门踏板的行为直接视为驾驶员犯了误把油门当刹车踩的错误,悬空踩踏油门踏板无法为车辆加油,只能直接启动减速刹车,使车辆更安全。该功能既可以纠正驾驶员脚后跟不着地悬空踩踏油门踏板的驾驶陋习,还可以对驾驶员因右脚远离刹车踏板,遇紧急情况抬脚猛踩刹车而误踩到油门踏板的错误行为予以及时纠正。
? (2)本系统具有防止误判功能,不会将正常的急速超车、陡坡加速等猛加油行为误判为是油门当刹车踩的行为,能够避免误判影响正常驾驶车辆。

(3)本系统具有自检功能。能对系统本身进行自检,也能对各传感器及制动单元进行自检,防止器件损坏不能正常工作,确保安全可靠。

(4)本系统对驾驶员较轻微的误踩行为能够实施制动和紧急刹车但不会锁定刹车和关闭发动机,当驾驶员意识到错误并改正后,仍可以继续正常驾驶车辆,可以避免熄火造成交通堵塞;因为发动机一旦熄火,这台车上的很多辅助系统比如液压制动系统和助力转向系统等都会由于丧失动力来源而失效,根本就无法实现汽车制动和转向,汽车几乎接近失控状态。
? (5)本系统采用手动复位方式,可防止驾驶员在误操作事件发生后还没有平静的情况下仓促复位。

(6)本系统具有双重保护功能。主要零部件采用机械式结构,有较高的可靠性,装置上的电器设备即使产生故障,其减灾功能不会全部消失。如电子电器出现故障,本装置的机械控制功能对刹车或者紧急制动仍会发挥作用。
?  (7)本系统有利于汽车工业的健康发展、有利于保障人民生命财产安全。

 

2系统总体方案

 

   驾驶员误踩油门的主要原因是没有细心驾驶、麻痹大意,我们设计了一套具有能提前预警、报警、主动减速及紧急刹车等功能,且在驾驶员加速时可以分析判断驾驶员踩加速踏板真正目的系统。首先各自检传感器对系统全面自检,雷达障碍探测装置对车辆前后方障碍距离探测,红外悬空探头对悬崖或深沟距离探测,经CPU分析与计算确定不同等级安全距离,进行语音报警或强制制动,,从而避免误踩造成交通事故,确保行车安全。

车辆正常行驶时,中央处理器根据雷达障碍探测装置(测车距,设置三档安全距离)和红外悬空探头(CPU根据红外线探头与地面的角度计算出车头或车尾与悬崖或深沟的距离并与安全距离相比较,设置三档距离)所设置的数据自动分析,当雷达障碍探测装置检测到汽车前方的障碍物超过安全距离后,会立即将信号传输给中央控制器,提醒驾驶员应对危急情况,并通过控制器迅速带动第一电动推杆上移抵在横板底部,在带动第一电动推杆上移的同时带动第二电动推杆下移,带动刹车踏板下移进行刹车减速操作。

     根据设计需求在汽车上加装雷达障碍探测传感器、红外悬空探头传感器及在加速踏板上安装角度传感器,如图2-1所示。这两个传感器取得汽车当前行驶车距,驾驶员加速信号后传递给系统单片机,经过CPU分析判断驾驶员踩加速踏板的真正目的,同时做出相对应的反馈,针对各种情况采取控制措施。
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图2-1系统元件分布图

   驾驶员误踩加速踏板的情况有两种: -种情况是应踩刹车却误踩油门,这时其踩加速踏板的角速度与正常加速时有明显的可分辨性,这可以作为我们判断驾驶员误踩的依据;另-种情况是车辆车速和距障碍距离不匹对的时,这两种情况都会造成车速瞬间提高,很容易引发交通事故,都可归为误踩加速踏板。对这两种情况采取的控制方案如下。

     (1) 红外悬空探头探测悬崖和深沟时

    车辆行驶至悬崖前或深沟附近,此时CPU根据红外线探头与地面的角度计算出车头或车尾与悬崖或深沟的距离并与安全距离相比较实时反馈至中央处理器,当小于第一安全距离时,语音报警提醒减速,如果驾驶员误踩油门,当小于所设置的第二安全距离时,强制制动系统将通过执行机构控制车速与之达到匹对安全距离,到达安全距离后强制制动单元自动解除,遇到特殊状况,当达到第三最低控制距离时,系统紧急制动。

(2) 车辆车速和距障碍距离不匹对

    车辆行驶前方遇到障碍物,此时CPU根据雷达障碍探测的距离与安全距离相比较实时反馈至中央处理器,当小于第一安全距离时,语音报警提醒减速,如果驾驶员误踩油门,当小于所设置的第二安全距离时,强制制动系统将通过执行机构控制车速与之达到匹对安全距离,到达安全距离后强制制动单元自动解除,遇到特殊状况,当达到第三最低控制距离时,系统紧急制动。

     系统复位功能可以让驾驶员随时复位系统。该系统兼具安全距离提醒功能,当雷达障碍探测车辆进入安全车距So时,系统会发出“注意车距”的提醒音。驾驶员必须手动复位系统。

    根据以上设计思路,图2-2 给出了基于CPU控制的系统工作原理框图。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2-2 系统原理框图

2.2系统工作原理

    如图2-2所示,整个系统包括雷达探测测距模块、加速踏板角度传感器、数模转换器、AT89S51单片机、警示电路、电控液压阀电路、制动泵电路、加速信号屏蔽电路、制动液压力传感器和系统复位电路等。雷达探测测距模块测得车距S后,直接把车距信息传递给单片机;加速踏板角度传感器测得踏板转角θ后,通过数模转换把这角度信号转变为单片机可接收的电信号。单片机得到这两个数据后经过一系列分析判定,然后通过警示电路、液压制动电路、加速信号屏蔽电路进行防误踩控制。

3防误踩加速踏板控制系统的硬件设计

     3.1系统元件的选型

     3.1.1角度传感器的选型

    汽车防误踩加速踏板控制系统中,角度传感器是关键部件,承担着踩加速踏板时瞬时转角的采集和信号传递,对其可靠性、使用寿命等都有严格要求。传统的角度传感器基于多种原理,如电阻分压效应、光电效应、霍尔效应、磁阻效应等。磁阻角度传感器采用高性能集成磁敏感元件,利用磁信号的感应是非接触的特点,配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代角度传感器,其提供的输出信号几乎不受磁场变动、磁温度系数、磁传感器距离与位置变动的影响。

    基于本设计的需要我们选用了LP06M4R1AB磁阻角度传感器,其在汽车、工业机械、航天工程、国防工业上都有广泛的应用,该传感器外形如图3-1。

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图3-1?角度传感器

LP06M4R1AB磁阻角度传感器的优点和性能如下。

    (1)无触点、高灵敏度、接近无限转动寿命、无噪声、高重复性、高频响应特性好。

    (2)非接触位置检测功能,是满足苛刻环境应用需求的理想选择。

    (3)此传感器对外只有三个接口,一个为VCC, -一个为模拟电压输出,一个为GND,角度变化非常精确,体积小,重量轻。可靠角度测量达到180°。

    (4) 当角度为0时,角度传感器电压输出为1.12V左右;当角度为180度时,角度传感器输出电压为3.2V左右。

3.1.2数模转换器的选型
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?      AD转换就是模数转换,也就是把模拟信号转换成数字信号。常用的AD转换器有:积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型。基于本次系统设计的要求,选用ADC0809模数转换器。ADC0809是一款8通道复用的8位AD转换器,数据获取的关键部分是它的8位模/数转换器。这个部分主要是由3部分组成: 256R的阶梯网络,连续逼近的电阻,和比较器。连续逼近电阻(SAR)通过8次迭代去大约逼近输入电压,只要输出是几位,就需要几次迭代。SAR 通过8组开关组和比较器完成获取输入电压对应参考电压的数字信号。ADC0809可以和单片机直接接口。引脚图如图3-2所示。
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图3-2?ADC0809引脚结构
?ADC0809各脚功能如下:

D7-D0: 8 位数字量输出引脚。

N0-IN7: 8位模拟量输入引脚。

VCC: +5V 工作电压。

GND:接地。
?REF (+) :参考电压正端。

REF (-) :参考电压负端。、

START: A/D转换启动信号输入端。

ALE:地址锁存允许信号输入端。

(以上两种信号用于启动A/D转换)
?EOC:转换结束信号输出引脚,开始转换时为低电平,当转换结束时为高电平。OE:输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器。

CLK:时钟信号输入端(一般为500KHz)。
?A、B、C:地址输入线。
?  ADC0809对输入模拟量要求:信号单极性,电压范围是0-5V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。
?  CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ,VREF (+),VREF (一)为参考电压输入。

3.1.3测距模块的选型

     汽车与障碍物间的距离检测需要使用测距传感器。在防误踩油门控制系统中,车用测距传感器的性能及精度会在很大程度上影响整个系统的性能,因此需要对车用测距的测量方法进行研究。

     (1)激光测距传感器

     激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点,它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲,经障碍物反射后向各个方向散射,部分散射光返回到接受传感器,能接受其微弱的光信号,从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离,即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大,缺点是对人体存在安全问题,而且制作的难度大成本也比较高。

(2)红外线测距传感器

     红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同,根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。其优点是成本低廉,使用安全,制作简单,缺点就是测量精度低,方向性也差,测量距离近。

     (3)雷达探测装置传感器

     是一种超出人类听觉极限的声波其振动频率是高于20 kHz的机械波。雷达探测测距原理是雷达探测发射器向某一方向发射雷达探测,在发射时刻的同时开始计时,雷达探测在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,雷达探测接收器收到反射波就立即停止计时。雷达探测在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即: s=340t/2。 雷达探测具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点,在中、长距离测量时,雷达探测传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器。

根据对以上三种传感器性能的比较,虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择,但是它的价格却比较高,而且安全度不够高。从安全性,成本、方向性等方面综合考虑,雷达探测传感器更适合设计要求。

    基于本次设计的需求我们选择了SP-40-38F 雷达探测测距模块,其测量范围在0.10~5.00m,测量精度1cm, 可以满足系统要求。SP-40-38F 雷达探测模块距离检测方便,测试距离精确,功耗也低,稳定性好。此模块价格便宜,只占用单片机的2个IO口,测试简单方便。其与单片机的连接方式是: 2脚接P3.1口,3脚接P1.0口,1脚接地,4脚接5V电压。

3.1.4系统单片机的选型

   单片机更是是系统控制的核心,所以对单片机的选择非常重要,一个合适的单片机可以最大化的简化系统操作。根据本系统设计的实际要求,选择AT89S51单片机做为本设计的单片机使用,它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS 8位单片机[?]。

AT89S51单片机具有以下几个性能特点:4 k字节的闪存片内程序存储器,128字节的数据存储器,32个外部输入和输出口,2个全双工串行通信口,看门狗电路,5个中断源,2个16位可编程定时计数器,片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。

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图3-3?AT89S51单片机的引脚功能图

3.2系统控制电路
?3.2.1系统信号输入电路图
?  根据以_上选择的元器件,给出系统传感器的信号输入电路图,如图3-5所示。

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图?3-5?系统信号输入电路图

3.2.2报警系统电路图

报警模块通过单片机给定不同的信号利用扬声器发出两种报警音。报警系统电路图如图3-6所示。

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图3-6?报警系统电路图

如图所示,该电路的M3720是双音效报警集成芯片,芯片内存储两种警示音效,可直接驱动扬声器放音。该报警电路的功能是:当雷达探测探测到的距离小于所设定的安全车距So时,系统发出“注意车距”提醒声音;当系统判定驾驶员误踩加速踏板时发出“误踩油门”的警示音。单片机AT89S51判定达到报警条件后其P0.1或者P0.2口将发送一个低电平信号使报警系统发出不同警示音。M3720芯片各引脚功能是: 1脚和2脚分别为芯片外接振荡电阻器; 3脚4脚单片机为触发控制端,低电平触发有效; 5脚VDD; 8脚VSS分别为电源输入端与负极端。8脚电压为3~3.5V;扬声器驱动线路由7脚、8脚引出。

3.2.3系统液压制动原理图

图3-7是汽车制动系统原理图[10]。驾驶员踩下制动踏板,通过真空助力泵的助力,制动主缸推动刹车油流向四个制动分泵,从而实现制动。因此,考虑在制动油路的A点加装如图3-8所示的防误踩加速踏板制动系统,该系统有液压泵、液压泵电机、储压器、电控液压阀和相关制动液管路、电路等组成。

该系统的工作原理是:当系统判定驾驶员误踩加速踏板时,电控液压阀将在单片机控制下打开,阀门左侧的高压制动液迅速流进制动油路,实现快速制动。当驾驶员按下复位开关后,电控液压阀关闭。该系统的油压由储压器保持,当储压器压力不足时可通过单片机驱动液压泵电机增加压力,因此保证了系统永远有足够的制动压力。

 

 

 

 

 

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图3-7?汽车制动系统               图3-8防误踩制动系统示意

防误踩制动系统的电控液压阀控制电路如图3-9。当光电耦合器的1号线接收到单片机的P0.3发送来的电信号后,该信号经过光电耦合器的过滤经2号接线端输出到三极管基极,然后由集电极流向继电器,此时继电器导通使电控液压阀打开。电控液压阀打开后,系统就实现了自动刹车。

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图  电控液压阀控制电路

 

3.2.4加速踏板信号屏蔽电路图

 

 要想实现误踩时屏蔽油门踏板的加速信号,首先我们要明白电子节气门的工作原理(电子节气门是今后汽车发展的普遍趋势,本文对拉线式节气门不做讨论)。电子油门12]的工作原理图如图3-10所示,驾驶员操纵加速踏板时,加速踏板位置传感器记录下加速踏板的位置,并将此信息传递给ECU, ECU 根据此信息、废气排放、燃油消耗以及安全等因素,确定转矩及相应的节气门位置,一-方面通过控制节气门体_上的执行电机来控制节气门转动的相应角度,另一方面控制点火和喷射,使得发动机的实际转矩达到目标转矩。

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图  电子油门的工作原理                   图  加速踏板位置传感

由图3-11可知可以通过控制加速踏板位置传感器的输出信号,在驾驶员误踩油门时,使ECU得不到加速信号,只得到有一个怠速信号,从而防止误踩事故的发生,下面介绍加速踏板位置传感器的工作原理。

电位计型加速踏板位置传感器以分压电路为原理工作,ECU供给传感器5V电压。电子油门踏板通过转轴与传感器内部的滑动变阻器电刷连接,加速踏板位置传感器的位置改变时,电刷与接地端的电压发生改变,ECU将该电压转变成加速踏板的位置信号。加速踏板位置传感器同时输出两组信号给ECU,保证输出信号的可靠性。加速踏板住置传感器元件内部具有两个相同线性的电位计,它的电路连接如图3-11所示,接线端子如下: 1、2脚接+5V电源; 3、5脚接地;4脚为信号线1、6脚为信号线2。

根据电子油门的加速原理,可以通过图3-12所示电路进行加速信号屏蔽控制。当光电耦合器的1号线接收到单片机的P0.4发送来的电信号后,该信号经过光电耦合器的过滤后由2号接线端输出到三极管基极,然后由集电极流向继电器,此时继电器导通,继电器开关将导通到加速信号屏蔽电路,此屏蔽信号与原车的怠速信号一样。而错误的加速信号传递电路将被切断。由于加速踏板传感器有两路信号以保证信号的可靠,故需要同时切断两路信号,其控制原理是一样的这里不再重复叙述。

85580b0fcb8640a1ab303234388b64c7.Png图  加速踏板信号屏蔽电路

4系统控制流程.
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车辆行驶过程系统不间断通过雷达探测装置模块,红外悬空探头装置、加速踏板转过角度θ,然后由CPU计算出加速踏板角速度0。得到这三个数据后;系统CUP将根据图4-1所示的控制流程进行分析判断,然后通过报警电路、辅助刹车电路、加速信号屏蔽电路对各种情况做出控制。

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图4-1系统流程控制系统图

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